品字型抗滑樁治理鎖兒頭滑坡探索范文

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《防災減災工程學報》2016年第4期

摘要：

“品”字型抗滑樁防治方案用于治理鎖兒頭滑坡，為評價其治理效果，采用FLAC3D軟件進行數值模擬，對比分析采用“品”字型抗滑樁治理滑坡和不采取支擋措施時滑坡體的應力、位移的大小、變化情況。研究表明，采取抗滑樁支擋措施后滑坡整體位移減小，且對坡腳穩定的治理效果較佳；在10m平臺以上坡體應力較為集中，在不利荷載情況下可能會發生局部滑塌，為增加安全儲備，可采取擋土墻支擋措施處理；“品”字型抗滑樁擋土側樁受力均勻，前排樁位移明顯小于后排樁，為了使抗滑樁受力更加合理，在設計時可采取適當加大前后排樁間距或減小前排樁截面的方式優化。

關鍵詞：

鎖兒頭滑坡；“品”字型抗滑樁；滑動面；FLAC3D軟件；數值模擬

引言

滑坡災害易造成財產重大損失，甚至帶來毀滅性的災難。抗滑樁作為滑坡治理的有效措施，已被廣泛應用［1］，根據邊坡形態及治理的要求，抗滑樁類型由簡單的單排抗滑樁衍生出許多抗滑樁（組合）結構，對于一些較大型滑坡，因滑坡推力巨大，使用單排樁往往難以達到加固目的，因此，一般考慮采用雙排或多排樁進行治理［2－3］，而一些組合型式的抗滑樁在治理此類滑坡時效果良好。“品”字型抗滑樁是一種新型防護結構，首次應用在鎖兒頭巨型滑坡工程中，主要通過連梁將后排兩根樁，前排一根樁連成整體框架，組成“品”字型，3根樁共同受力。與普通抗滑樁相比，“品”字型抗滑樁具有整體抗彎剛度大、穩定性好、截面受力較小、抵抗力大、位移小等優點，但是“品”字型抗滑樁的樁施工工藝較普通抗滑樁復雜，因此不適于較小工程。“品”字型抗滑樁較其他形式的抗滑樁力學機理更加復雜，目前此方面的理論研究較少，但可以肯定的是此類形式抗滑樁的研究對于后續巨型滑坡的治理工程有重大意義，組合型抗滑樁很可能是未來邊坡治理的主要形式。數值模擬技術廣泛用于滑坡分析中［4－7］，效果良好，因此本文通過FLAC3D軟件進行數值模擬，分析鎖兒頭滑坡采取“品”字型抗滑樁支擋措施的防治效果。

1工程概況

甘肅省舟曲縣2010年8月7日發生特大山洪泥石流災害，堵塞嘉陵江上游支流白龍江形成堰塞湖淹沒縣城。鎖兒頭滑坡位于甘肅省舟曲縣城西側的白龍江北岸，距舟曲縣城1．0km，滑坡全長3300m，滑坡最寬處700m，最窄處僅為80m，堆積體厚度為20～100m，堆積體平均坡度12°，主滑方向133°，前后緣高差達670m，屬于特大型斷層破壞帶滑坡。受舟曲泥石流災害的影響，需對鎖兒頭滑坡前緣、滑體、滑坡后緣進行穩定性評價，并采取不同方案進行治理。本文主要研究鎖兒頭滑坡前緣西側治理效果，此滑坡命名為H0－2－1－1。該次級滑坡起自耕地平臺的前緣斜坡，止于前緣江邊斜坡，采用“品”字型抗滑樁支擋措施。在平面上可把樁按“品”字交錯布置成梅花形［8］，通過連梁將后排2根樁，前排1根樁連成整體框架，組成“品”字型，其結構形式如圖1所示。為了便于前緣抗滑樁的布置，對H0－2－1－1滑坡前緣進行坡面清理，因坡面高陡，且局部滑塌，不利于抗滑樁的布置，故設計在高程1340．000m處預留10m寬平臺，在1340．000m以上按二級坡面，坡比1∶1進行削坡，每級坡面高10m，中間預留2m寬平臺；在坡面平整后，高程1325．000～1340．000m之間布置抗滑樁，抗滑樁采用C25混凝土鉆孔灌注樁，每組3根，呈“品”字型布置，靠擋土側布置2根，靠外側布置1根，單根樁徑為1．8m，樁長為35m，樁群中心間距為7m。設計抗滑樁共28組84根，抗滑樁防治方案如圖2所示。根據勘察報告，鎖兒頭滑坡的滑體物質來源復雜，既有斷層破碎帶物質，又有兩側山前的崩、滑積物質和坡洪積物質。H0－2－1－1滑坡滑體物質上層為青灰色碎石土，下層為炭質板巖碎屑，滑坡的滑面大部分在黑色炭質板巖碎屑層或黑色炭質板巖與黃褐色粉土、粉質粘土接觸帶上或與碎石土接觸帶上，滑床為沖洪積碎石土，前緣局部為砂礫卵石。滑坡巖土體物理力學參數見表1。

2模型建立

2．1基本假定

為簡化分析，建立模型時，不考慮地下水和地震對滑坡的影響，僅分析靜力作用下抗滑樁對滑坡的支擋效果。

2．2模型的幾何邊界

采用FLAC3D軟件對H0－2－1－1滑坡治理效果進行分析，建模時按照H0－2－1－1滑坡的實際情況進行簡化，原滑坡長度約為500m，高150m。考慮計算機的實現，對模型進行簡化。分析原滑坡發現，選取滑坡長150m，高90m時，滑體、滑床、滑帶明顯，為便于分析，采取如圖3所示的模型尺寸，滑坡三維模型的厚度約取相鄰兩組“品”字型抗滑樁的間距（即7．2m），邊坡左右和前后兩個側面約束法向位移，邊坡底部施加三向位移約束［9］，在建立模型時，必須考慮所建模型的物理、幾何條件最大可能地與實際滑坡的巖性、地形相一致，以減小誤差，最終選取如圖3所示的計算模型。

2．3模型的網格劃分

為了對滑坡采用抗滑樁加固前和加固后的效果進行分析，分別建立無樁和有樁模型，有樁模型主要區別在布置了3根樁，突出樁模型，如圖4、圖5所示。初始應力的計算僅考慮自重作用，計算采取摩爾－庫倫模型［10］，無樁模型共有35616個單元，39845個節點，有樁模型共有54912個單元，61147個節點。

3數值模擬結果分析

將相應的物理力學參數代入已建好的模型進行數值模擬，在建模的時候并未建立完整的H0－2－1－1滑坡模型，為減小邊界對模型的影響，在初始應力生成，位移場，速度場皆清零后，分別對有樁和無樁模型左側滑體上施加水平向右的均布荷載，來模擬滑坡推力，對“品”字型抗滑樁治理滑坡效果進行分析。因為所建模型較為復雜，且節點較多，默認收斂準則1．0e－5對此模型較為苛刻，故在進行到100000步后，最大不平衡力比率小于2．0e－5，觀察最大不平衡力趨于0，此時認為已經收斂［11－12］。

3．1應力比較分析

圖6為不設樁時的z向應力云圖，最大應力值出現在模型底部，為1．89MPa，豎向應力符合地應力的變化規律。同樣由圖7可知，模型底部應力值為2．5MPa，因為抗滑樁對模型的影響，最大應力值出現在樁周圍，對模型進行切片操作，比較圖8、圖9可知，y向應力最大值出現在樁底，符合受力規律。分別取后排樁和前排樁樁頂單元y向應力值進行比較，如圖10和圖11所示，隨著步數增加，y向應力值整體呈減小趨勢，但后排樁樁頂單元y向應力值明顯大于前排樁，可見受力較大，符合“品”字型抗滑樁后排樁較前排樁承擔滑坡推力大的特點，此抗滑樁設樁位置較為合理，且達到一定的支擋效果。

3．2剪切應變增量、位移比較分析

由圖12可知，在不設樁時，最大剪應力出現在坡腳位置，并未看到明顯的塑性貫通區域，而從圖13中y向位移等值線可以看出，滑坡從坡頂至坡腳都有明顯的位移發生，在坡腳位移最大。圖14為無抗滑樁時特定點（x＝3．6，y＝－8．4，z＝0）y向位移，發現最大位移未達到平衡，隨著時間增加位移一直增加。以上結果表明：在現有條件下，H0－2－1－1滑坡基本穩定，前緣部分處于蠕滑狀態，這與實際的工程勘察報告和穩定性評價一致。在對H0－2－1－1滑坡采取支擋措施后，得出其剪切應變增量圖，y向位移等值線圖，以及樁身位移等值線圖。由圖15、圖16可知，在采取支擋措施后，此滑坡坡腳處位移明顯減小，可達到治理坡腳的目的，在10m平臺之上局部較小部位，出現了塑性貫通區域，隨著時間的增加在以上坡體處出現滑移的可能性較大。這是因為，預留10m平臺對整個滑坡體起到減緩坡度，減小滑坡體體積，減少下滑力的作用，在此平臺布置抗滑樁后，滑坡大部分推力集中在此位置，平臺以上部位應力過于集中。從圖16可見，坡腳到平臺的位置土體y向位移趨于0，為考慮抗滑樁所起的作用，單獨取出y向位移并進行放大，由圖17可見，在采用“品”字型抗滑樁支擋結構時，擋土側兩根抗滑樁位移對稱，2根樁同時抵抗推力對土體的影響，后排樁的位移明顯大于前排樁，3根樁皆在樁頂處位移最大。縱觀抗滑樁整體支擋效果，后排樁在受到推力作用時，把力傳遞給前排樁，3根樁同時受力，位移符合力學受力規律［13］，此布置方式更能充分發揮前排樁與后排樁的土拱效應［14］，對穩定滑坡起到一定作用。

4結論

鎖兒頭滑坡作為舟曲縣災后重建地質災害防治工程之一，其整體規模大，縱向分級明顯，長期緩慢變形，治理難度大，滑坡距離舟曲縣城僅1km，為保護人民生命和財產安全，針對鎖兒頭滑坡形成的影響因素，采取不同方法進行治理。采取“品”字型抗滑樁治理H0－2－1－1滑坡是鎖兒頭滑坡防治工程的一部分，本文通過對設樁和不設樁情況滑坡的比較分析，可得出以下結論：

（1）抗滑樁支擋措施使得此滑坡整體位移減小，坡腳及平臺效果尤為顯著；若此滑坡不采取支擋措施，最大位移發生在平臺之下坡腳處，且整個滑坡體沿著滑面方向產生很大位移，坡腳最易發生破壞，設樁之后達到穩定狀態，故此支擋措施穩定坡腳效果良好。

（2）平臺以上一、二級坡面應力較為集中，很可能在暴雨等不利條件下發生局部滑塌，為了更有效地防止滑坡的發生，在穩定坡腳的前提下，為增加安全儲備和滑坡在不利條件下的穩定性，達到更好的護坡效果，在條件許可的情況下，建議可在平臺以上部位采用擋土墻支擋措施。

（3）根據樁身位移圖可知，“品”字型抗滑樁中，最大位移均發生在樁頂處，后排2根樁受力均勻且承受較大推力，整體抗滑效果較好。鑒于前排樁承受推力較小，在以后類似工程中可采取適當加大前后排樁間距或是減小前排樁截面的方式使得“品”字型抗滑樁受力更加合理。“品”字型抗滑樁在目前工程實踐中運用較少，對其空間效應和破壞模式等值得進一步研究，本文研究結果對今后類似工程可提供一定借鑒。

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作者:周勇 王天 王秀麗 單位:蘭州理工大學甘肅省土木工程防災減災重點實驗室 西部土木工程防災減災教育部工程研究中心